(44-4) 04 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Совместное применение техники адаптивной оптики и нелинейно-оптического обращения волнового фронта для компенсации турбулентных искажений при фокусировке лазерного излучения на удаленных объектах
В.П. Лукин 1, Н.Н. Ботыгина 1, П.А. Коняев 1, О.В. Кулагин 2, И.А. Горбунов 2

1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск,
2 Институт прикладной оптики РАН, г. Нижний Новгород

 PDF, 1509 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-725

Страницы: 519-532.

Аннотация:
Рассмотрены подходы к построению макета системы фокусировки лазерного излучения на удаленные объекты с использованием как элементов адаптивной оптики, так и методов нелинейно-оптического обращения волнового фронта, обеспечивающих компенсацию турбулентных искажений. Предварительно выполнены численные расчеты, в которых в качестве численного метода решения скалярного волнового уравнения в частных производных 2-го порядка для комплексной амплитуды волнового поля лазерного пучка использовался метод расщепления (split-step method). Этот метод в сочетании с методами спектрально-фазовых Фурье-преобразований и статистических испытаний является самым эффективным на сегодняшний день способом получения надёжных количественных результатов при решении инженерных задач волновой оптики атмосферы. Получены количественные данные по влиянию турбулентных искажений на атмосферных трассах на основные параметры когерентных пучков излучения – фокусировку, эффективный средний радиус и относительную долю энергии пучка в его дифракционном пятне. Получены предварительные результаты работы макета, подтверждающие выводы теории.

Ключевые слова:
адаптивная оптика, фазовое сопряжение, обращение волнового фронта, датчик волнового фронта.

Благодарности
Авторы благодарят сотрудников ИОА СО РАН: ведущего инженера А.Г. Борзилова и к.ф.-м.н. А.В. Торгаева за проведение измерений атмосферных параметров, к.ф.-м.н. В.В. Лавринова за разработку программы управления датчиком волнового фронта, д.ф.-м.н. Канева Ф.Ю. за помощь при написании обзора и при оформлении результатов расчетов в виде рисунков, инженеров Е.Л. Соина и А.А. Селина за помощь при проведении работ. Выражаем особую признательность и благодарность конструктору А.Н. Грицуте и ведущему инженеру О.Н. Емалееву за участие в разработке макета. Авторы благодарны также сотрудникам ИПФ РАН: программисту 1 категории С.О. Кулагину и инженеру-исследователю И.О. Кулагину за помощь при создании и запуске в работу лазерной части макета.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственным заданиям ИОА СО РАН и ИПФ РАН.

Цитирование:
Лукин, В.П. Совместное применение техники адаптивной оптики и нелинейно-оптического обращения волнового фронта для компенсации турбулентных искажений при фокусировке лазерного излучения на удаленных объектах / В.П. Лукин, Н.Н. Ботыгина, П.А. Коняев, О.В. Кулагин, И.А. Горбунов // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 4. – С. 519-532. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-725.

Citation:
Lukin VP, Botygina NN, Konyaev PA, Kulagin OV, Gorbunov IA. The combined use of adaptive optics and nonlinear optical wavefront reversal techniques to compensate for turbulent distortions when focusing laser radiation on distant objects. Computer Optics 2020; 44(4): 519-532. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-725.

Литература:
  1. Babcock, H.W. The possibility of compensating astronomical seeing / H.W. Babcock // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. – 1953. – Vol. 65. – P. 229-236.
  2. Линник, В.П. О принципиальной возможности уменьшения влияния атмосферы на изображение звезды / В.П. Линник // Оптика и спектроскопия. – 1957. – Т. 25, № 4. – P. 401-402.
  3. Fried, D.L. Optical resolution through a randomly inhomogeneous medium for very long and very short exposures / D.L. Fried // Journal of the Optical Society of America. – 1966. – Vol. 56. – P. 1372-1379.
  4. Лукин, В.П. Атмосферная адаптивная оптика / В.П. Лукин. – Новосибирск: Наука, 1986. – 248 с.
  5. Зельдович, Б.Я. Обращение волнового фронта / Б.Я. Зельдович, Н.Ф. Пилипецкий. – М: Наука, 1985. – 248 с.
  6. Беспалов, В.И. Нелинейная оптика и адаптивные лазерные системы / В.И. Беспалов, Г.А. Пасманик. – М: Наука, 1986. – 134 с.
  7. Greenwood, D. Special issue on adaptive optics / D. Greenwood // Lincoln Laboratory Journal. – 1992. – Vol. 1. – P. 3-170.
  8. Buffington, A. Correction of atmospheric distortion with an image-sharpening telescope / A. Buffington, F.S. Crowford, R.A. Muller, A.J. Schwemin, R.G. Smits // Journal of the Optical Society of America. – 1977. – Vol. 67, Issue 3. – P. 298-303.
  9. Cathey, W.T. Compensation for atmospheric phase effects at 10.6 micro / W.T. Cathey, C.L. Hayes, W.C. Davis, V.F. Pizzurro // Applied Optics. – 1970. – Vol. 9, Issue 3. – P. 701-707.
  10. Лукин, В.II. Принцип взаимности и адаптивное управление параметрами оптического излучения / В.II. Лукин, М.И. Чарноцкий // Квантовая электроника. – 1982. – Т. 9, № 5. – С. 952-958.
  11. Лукин, В.II. Адаптивное формирование пучков и изображений в атмосфере / В.П. Лукин, Б.В. Фортес. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 1999. – 212 с.
  12. Lukin, V.P. Potential capabilities of аdaptive-optical systems in the atmosphere / V.P. Lukin, B.V. Fortes, F.Yu. Kanev, P.A. Konyaev // Journal of the Optical Society of America A. – 1994. – Vol. 11, Issue 2. – P. 903-907.
  13. Lukin, V.P. Phase-correction of turbulent distortions of an optical wave propagating under conditions of strong intensity fluctuations / V.P. Lukin, B.V. Fortes // Applied Optics. – 2002. – Vol. 41, Issue 27. – P. 5616-5624.
  14. Лукин, В.П. Фазовое и амплитудно-фазовое управление лазерным пучком при распространении его в атмосфере / В.П. Лукин, Ф.Ю. Канев, В.А. Сенников, Н.А. Макенова, В.А. Тартаковский, П.А. Коняев // Квантовая электроника. – 2004. – Т. 34, № 9. – С. 825-832.
  15. Guthery, C.E. Theory and design of a hybrid wave-front sensor for adaptive optics / C.E. Guthery, M. Hart // Imaging and Applied Optics 2019. OSA Technical Digest (Optical Society of America. 2019). – 2019. – PTu3C.4.
  16. Vorontsov, M. Overview of long-range (149 km) laser beam propagation and atmospheric sensing experiments / M. Vorontsov // Imaging and Applied Optics 2019. OSA Technical Digest (Optical Society of America. 2019). – 2019. – JW2A.36.
  17. Charnotskii, M. Fifty years of strong scintillation theory / M. Charnotskii // Imaging and Applied Optics 2019. OSA Technical Digest (Optical Society of America. 2019). – 2019. – PM1C.1.
  18. Саичев, А.И. Отражение от зеркала, обращающего волновой фронт, с учётом обратного рассеяния в неоднородной среде / А.И. Саичев // Известия ВУЗов. Радиофизика. – 1981. – Т. 24. – С. 1165-1167.
  19. Саичев, А.И. Эффект компенсации обращающим волновой фронт искажений зеркалом волны, обусловленных рассеянием в неоднородной среде / А.И. Саичев // Известия АН СССР. Радиотехника и электроника. – 1982. – Т. 27. – С. 1601-1608.
  20. Малахов, А.И. О средней интенсивности волны, отраженной от зеркала ОВФ в турбулентной среде / А.И. Малахов, А.В. Половинкин, А.И. Саичев // Известия ВУЗов. Радиофизика. – 1983. – Т. 26, № 5. – С. 579-586.
  21. Ахунов, X.Г. Об эффективности фокусировки обращенного волнового поля в турбулентной атмосфере при наличии ветра / X.Г. Ахунов, Ф.В. Бункин, Д.В. Власов, Ю.А. Кравцов // Известия АН СССР. Радиотехника и электроника. – 1984. – Т. 29, № 1. – С. 1-4.
  22. Ахунов, Х.Г. О проявлениях эффективности обратного рассеяния при отражении от зеркала ОВФ / Х.Г. Ахунов, Ю.А. Кравцов // Известия ВУЗов. Радиофизика. – 1983. – Т. 26, № 5. – С. 635-637.
  23. Андреев, Н.Ф. Обращение оптических сигналов с большим коэффициентом отражения / Н.Ф. Андреев, В.И. Беспалов, А.М. Киселёв, А.З. Матвеев, Г.А. Пасманик, А.А. Шилов // Письма в ЖЭТФ. – 1980. – Т. 32, № 11. – С. 639-642.
  24. Кулагин, О.В. Усиление и обращение волнового фронта слабых сигналов / О.В. Кулагин, Г.А. Пасманик, А.А. Шилов // УФН. – 1992. – Т. 162, № 6. – С. 129-157.
  25. Khizhnyak, A. TIL system with nonlinear phase conjugation / A. Khizhnyak, V. Markov // Proceedings of SPIE. – 2007. – Vol. 6708. – 67080H.
  26. Khizhnyak, A. Novel approach for beacon formation through simulated turbulence: initial lab-test results / A. Khizhnyak, V. Markov, I. Tomov, F. Wu // Proceedings of SPIE. – 2010. – Vol. 7588. – 758807.
  27. Khizhnyak, A. Beacon-defined performance of adaptive optics / A. Khizhnyak, V. Markov, J. Chavez, Sh. Liu // Proceedings of SPIE. – 2012. – Vol. 8517. – 85170Y.
  28. Кулагин, О.В. Компенсация фазовых искажений при наблюдении через турбулентную атмосферу с помощью ОВФ при четырех-волновом взаимодействии света с гиперзвуком / О.В. Кулагин, В.П. Лукин, А.М. Сергеев, D. Peterson, M. Valley. – В кн.: Сборник трудов XVI Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». – Томск: 2009.
  29. Kanev, F.Yu. Hybrid adaptive system performance / F.Yu. Kanev, O.V. Kulagin, V.P. Lukin. – In: Proceedings of the International Conference “Laser Optics 2010”. – Saint-Petersburg: 2010.
  30. Лукин, В.П. Возможность совместного использования техники адаптивной оптики и нелинейно-оптического обращения волнового фронта для компенсации турбулентных искажений / В.П. Лукин, Ф.Ю. Канев, О.В. Кулагин // Квантовая электроника. – 2016. – Т. 46, № 5. – С. 481-486.
  31. Ryou, A. Image amplification in a self-imaging degenerate optical cavity [Electronical Resource] / A. Ryou, Sh. Colburn, A. Majumdar // arXiv:1905.01551v1. – 2019. – URL: https://arxiv.org/abs/1905.01551 (request date 18.03.2020).
  32. Brustlein, S. Limits of amplification of weak images / S. Brustlein, F. Devaux, E. Lantz // Journal of Modern Optics. – 2006. – Vol. 53, Issue 5-6. – P. 799-807. – DOI: 10.1080/09500340500225962.
  33. Mosset, A. Spatially noiseless optical amplification of images / A. Mosset, F. Devaux, E. Lantz // Physical Review Letters. – 2005. – Vol. 94. – 223603.
  34. Khizhnyak, A. Pulse laser imaging amplifier for advanced Ladar systems / A. Khizhnyak, V. Markov, I. Tomov, D. Murrell // Optical Engineering. – 2016. – Vol. 56, Issue 3. – 031218.
  35. Гладких, В.А. Цифровая ультразвуковая метеостанция / В.А. Гладких, А.Э. Макиенко // Приборы. – 2009. – № 7. – C. 21-25.
  36. Визионика. Продукция [Электронный ресурс]. – URL: http://www.visionica.ru (дата обращения 20.05.2020 г.).

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20